Терехов В.М. Элементы автоматизированного электропривода

Подождите немного. Документ загружается.

где переменные

}

х,

могут быть выражены в прямой

или инверсной форме. При этом входы

х,,

соединяясь

с соответствующими выходами

образуют

обратные

связи. Каждый выходной канал

выполняет операцию

дизъюнкции из множества т переменных

г„

т. е.

= 2

хх'].

(4.29)

/€«

«€«1/€(«+*)

В соответствии с теоремой разложения

(4.11)

и ее

следствиями (4.12), (4.16) для составления любой логи-

ческой функции достаточно трех операций: отрицания,

конъюнкции и дизъюнкции. Таким образом, выходная

координата ПЛМ Y согласно (4.29) с помощью матриц

Рис. 4.31. Принципиальная схема ПЛМ

130

д{,

может реализовать произвольную наперед за-

данную

логическую функцию управления. Принципиаль-

схема ПЛМ изображена на рис. 4.31. Матрица-нако-

питель

Mi,

как описано выше, реализует на вертикаль-

ных

шинах конъюнкции:

n'j

х\

Xk',

—

л:

дгз

Xk.

Матрица дизъюнкции

получается из матрицы

конъюнкции на основе закона де Моргана. Действитель-

но, горизонтальные шины

осуществляют так же, как

вертикальные шины

конъюнкцию w,— П

Так

ig/n

как согласно схеме

и,=z,,

то в соответствии с законом де

Моргана

w,—

z,=

Поскольку

;

ш/,

то

у,=

(

т. е.

выполняет функцию дизъюнкции.

При-

(

менительно

к схеме ПЛМ (рис. 4.31)

го

;

г,.

Преобразование и гальваническое разделение вход-

ных и выходных сигналов в ПЛМ выполняют

герконные

реле

Р,—Р

У!—

У*.

4.3. Микропроцессор — комплексный цифровой эле-

мент

высшего

функционального

уровня

Функциональные возможности цифровых элементов

расширяются при переходе от более низкого уровня к бо-

лее высокому уровню интеграции. Так, объединение ло-

гических элементов, реализующих простейшие логичес-

кие функции, в цифровые узлы позволяет решать слож-

ные логические и вычислительные задачи. Тем не менее

каждый узел,

как

это показано в предыдущем параграфе,

выполняет одну, вполне определенную логическую или

вычислительную функцию, тип которой отражен в назва-

нии узла. Объединение цифровых узлов в рамках следу-

ющего, высокого уровня интеграции, называемого циф-

ровым устройством, дает функциональную многознач-

ность. Такие устройства позволяют получать различные

функции, каждая из которых соответствует своему опре-

деленному набору управляющих сигналов,

т.е.

опреде-

ленной программе управления. Например,

рассмотренное

в § 4.2 ЗУ в зависимости от набора управляющих ко-

9* 131

манд, воздействующих на ЗУ, выполняет различные опе-

рации: приема (записи), хранения, выдачи

(считыва-

ния),

ликвидации (стирания) информации.

На основе комплекса типовых узлов может быть

соз-

дано

устройство с широким набором логических и

вычис-

лительных

функций, воспроизведение которых осуществ-

ляется с помощью заранее составленной программы

уд.

равляющих воздействий. Такое программно-управляемое

унифицированное цифровое устройство, выполненное на

базе больших интегральных схем, называется

микропро-

цессором (МП), который

предназначен

для обработки

цифровой информации и управления процессом этой об-

работки.

Микропроцессор как управляющее устройство может

входить составной частью в систему управления АЭП.

В этом смысле распространим понятие элемента

АЭП

на МП, который обладает конструктивной завершенно-

стью в виде

однокорпусного

или многокорпусного испол-

нения. Однако, учитывая функциональную сложность

МП, будем иметь в виду определенную условность его

включения в понятие элемента, считая его комплексным

цифровым элементом высшего функционального уровня.

Дальнейшая функциональная интеграция —

микро-

ЭВМ—

уже выходит за границы принятого в данном кур-

се понятия элемента и относится к понятию системы.

Рассмотрим сначала функциональный состав и прин-

цип действия МП как комплексного программно-управ-

ляемого элемента, который, в свою очередь, может вы-

полнять задачу управления в составе систем АЭП.

Будем рассматривать МП путем его

последовательной

декомпозиции, т. е. путем перехода от общего представ-

ления к детализированному. Исходно представим МП

как единое устройство в виде некоторого «черного ящи-

ка», имеющего внешние входы и выходы для рабочей

информации (данные D,

D')

и для команд управления

данными (X) (рис.

432,с).

Внутри МП происходят два

процесса: процесс обработки данных, при котором по-

ступающие в МП данные D подвергаются логическим и

вычислительным операциям и в новом качестве

вы-

водятся из МП; процесс управления

обработкой

дан-

ных на основании заранее составленной программы

(X).

В соответствии с указанными процессами в соста-

ве МП можно выделить два основных функциональных

блока

—

блок операций БО и блок управления БУ (рис.

132

Рис. 4 32. Структурная схема

микропро-

цессора

4.32,6).

Основным является блок

операций,

так как

именно он реализует функциональное назначение МП.

Блок управления обеспечивает правильное функциони-

рование БО, при этом

поступающая

программа работы

МП в виде последовательности команд X преобразуется

в БУ с учетом сигналов УО, оповещающих о состоянии

БО, в серию управляющих сигналов У, воздействующих

на БО.

В своей работе МП взаимодействует с внешними уст-

ройствами, которые совместно с ним образуют МП-систе-

му управления некоторым объектом ОУ (рис. 4.32, е).

Источником исходных данных и программы являются со-

ответственно запоминающие устройства данных ЗУД и

команд

ЗУК.

Приемником обработанных данных служит

так называемое «устройство ввода-вывода»

УВВ,

через

которое обработанная цифровая рабочая информация

в преобразованном виде как выходное

управляющее

воздействие

поступает на

объект

управления. Из ОУ

в УВВ поступает информация о

состоянии

объекта уп-

равления в виде сигналов обратных связей

UQ.

В МП-си-

стеме поток рабочей информации может иметь не толь-

ко прямое

направление

—

от ЗУД к МП и к УВВ, но и

обратное

—

от УВВ к МП и к ЗУД. Это дает возмож-

133

ность для обмена информацией между ЗУД,

БО

УВв

позволяет обрабатывать данные обратных связей и

за.'

поминать результаты операций. Совместная

взаимосвя-

занная работа всех устройств и блоков в МП-системе

обеспечивается системой управляющих сигналов У и

Необходимая согласованность действий во времени бло-

ков МП и МП-системы достигается с помощью синхрони-

зирующих импульсов

поступающих от генератора

вы-

сокостабильной частоты.

Познакомившись с основными функциональными бло-

ками МП-системы, рассмотрим принцип действия МП

как комплексного управляющего элемента,

реализующе-

го некоторую логическую функцию, например, вида

[(*i

)

Xj)

(4.30)

Заданная функция может быть реализована

аппарат-

ным способом с помощью типовых логических

элемен-

тов. Для этого согласно (4.30) потребуются три

элемен-

та ИЛИ и два элемента И, соединенных по схеме, приве-

денной на рис. 4.33. Схема реализует пять

действий

—

yi—Xi+Xz,

=yix

;

«/2+*i;

;

=у

+х

=у,

для каждого из которых предусмотрен отдельный

элемент, хотя различных действий здесь только два —

дизъюнкция

(z/i,

г/

z/s)

и коньюнкция

(у

г/4).

В этом

недостаток аппаратного способа реализации алгоритма

управления

—

с усложнением алгоритма соответственно

возрастает количество аппаратуры. При программном

способе реализации функции (4.30) потребуются вместо

пяти только два элемента, один из которых ИЛИ, а дру-

гой И. Необходимые действия согласно (4.30) будут вы-

полняться поочередно в соответствии с заранее состав-

ленной

программой.

Проанализируем решение поставленной задачи

(4.30) с помощью МП, для которого примем функцио-

нальную модель, изображенную на рис. 4.34. В этой МО-

РИС. 4.33. Схема аппаратной реализации логической

функ-

ции

Рис. 4.34. Функциональная упрощенная модель микропроцессора

дели

по сравнению с моделью на рис. 4.32 дополнительно

показаны линии связи БО с ЗУД и внутреннее устройст-

во БО. Дополнительные элементы представлены упро-

щенно, чтобы лучше понять принцип действия МП. В со-

став блока операций, который называется также ариф-

метико-логическим устройством

(АЛУ),

входят элементы

ИЛИ, И (применительно к решаемой задаче) и пере-

ключатель операций ПО. Шины Р1 и Р2, через которые

Данные вводятся в БО, соединяются с помощью элек-

тронных ключей

/—16

с выходными шинами ЗУД

В1—

В2.

Шина

А воспринимает

результат

операций в АЛУ,

который может быть записан в ячейках памяти

ЯП1

—

ЯЯ$

запоминающего устройства данных

или

передан в устройство ввода-вывода

У5В,-.

135

Блок управления вырабатывает сигналы:

Uj>\i>

Up2i,

управляющие электронными ключами

1—8,

9—16;

UAI,

UBBI,

управляющие электронными ключами

17—24, 29;

£/

,о,

управляющий переключателем операций

(£/

п>0

1—включены

контакты 25 и 37,

/У

,о

0—

включены

контакты 26 и

28};

^з.у.д,

разрешающий чтение данных из ЗУД

(£-

з,у,д—1)

или

запись

в ЗУД

(£/

=0);

£/з,у,к,

разрешающий чтение команд из

ЗУК.

Единичное значение сигналов

I,I,

,i,

UAI,

UB,B,

означает включенное состояние электронных ключей с

номером

Составим программу работы МП в соответствии с ал-

горитмом, заданным в виде структурной формулы (4.30).

Пусть в исходном состоянии МП значения переменных

*ь

записаны в ячейки

ЯП1,

ЯП2,

ЯПЗ,

а осталь-

ные ячейки ЗУД свободны. Тогда для выполнения пяти

действий

г/i—г/s,

соответствующих формуле

(4.30),

потре-

буется совокупность операций, осуществляемых после-

довательно одна за другой по очевидной программе:

0) чтение числа х\ из

ЯП1

на шину

Р1,

сокращен-

но—Чт Р1,1;

1) чтение числа

из

ЯП2

на шину Р2, Чт Р2,2;

2) логически сложить числа х\ и

С Р1 и Р2;

3) запись результата сложения

у\

с шины А в

ЯП4,

ЗпА,4;

4) чтение числа

из ЯПЗ на шину Р1, Чт Р1,3;

5) чтение числа

г/i

из

ЯП4

на шину

Р2,

Чт Р2,4;

6) логически умножить числа

у\,

ЛУ Р1 и

Р2;

7) запись результата умножения

с шины А в

Я/75,

ЗпА,5;

8) чтение числа

х\

из

ЯП1

на шину Р1,

ЧтР1,1;

9) чтение числа

из

ЯП5

на шину Р2, Чт

Р2.5;

10) логически сложить числа х\ и

ЛС Р1 и

Р2;

11)

запись результата сложения

с шины Л в

ЯЯ£,

ЗпА,6;

12) чтение числа

из

ЯПЗ

на шину

Р/,

ЧтР1,3;

13) чтение числа

г/

из

ЯП6

на шину

Р2,

ЧтР2,6;

14) логически

умнол<ить

числа

ЛУ Р1 и

Р2;

15) запись результата умножения

г/

шнныАвЯП7,

ЗпА,7;

16) чтение числа

д:

из ЯЛ2 на шину

Р/,

ЧтР1,2;

136

17) чтение числа

из

ЯП7

на шину Р2,

ЧтР2,7;

18) логически сложить числа

Р1

Р2;

19) запись результата сложения

у$—у

с шины А в

fins,

ЗпА,8;

или

другой вариант.

20) вывод результата сложения

у&=у

с шины А на

УВВг, ВЫВ А,

УЕВ;.

Перечисленным 20 операциям соответствует то же чи-

сло команд, по которым данные операции выполняются

МП. Команды записаны в сокращенной символической

форме. В составе команды можно выделить две части —

наименование операции и адрес расположения данных,

над которыми совершаются операции. Так как МП как

цифровое устройство может воспринять команду только

в цифровом виде, то символическая форма команды пре-

образуется в цифровой код. В этом коде команды запи-

сываются в ячейки

ЗУ/С

в последовательности, соответ-

ствующей составленной программе (рис. 4.34),

Номер ячейки

ЗУК

означает адрес команды, а также

очередность ее выполнения. В сокращенном виде про-

грамму работы МП можно представить в табличной фор-

ме (табл. 4.7). Отработка программы начинается с де-

кодирования в блоке управления команды с нулевым

адресом, который внесен исходно

в£0

как начало отсче-

та команд программы. Декодирование команды вызыва-

ет появление управляющих импульсов

£/

,д

= 1,

£/PI,I

= 1,

осуществляющих

выполнение первой команды

ЧтР1,1.

Одновременно с этим в БО к начальному номе-

ру адреса прибавляется единица, что определяет следу-

ющий адрес новой команды. Появившийся вследствие

этого управляющий сигнал

£/

,у,к=1

обусловливает чте-

ние команды с адресом 1 в блок управления и ее деко-

дирование. Сигналы

£/з,уд=1

£/р2,2=1

осуществляют

выполнение команды

ЧтР2,2.

Аналогично выполняются

последующие команды. Разделение во времени выполне-

ния команд, последовательность и согласованность дей-

ствия управляющих сигналов осуществляются с по-

мощью высокочастотных синхронизирующих импульсов

поступающих в блок управления. На выполнение каж-

дой команды требуется несколько тактов

которые об-

разуют время цикла команды

-п

т,

(4.31)

где

—

число тактов в цикле;

—

период синхронизи-

рующих импульсов, с,

137

^Таблица

4.7. Программа МП

для

реализации функции (4.30)

Для реализации всей программы (программного цик-

ла) потребуется время

(432)

где

—

число команд в программе.

Так как величины

определяются типом коман-

ды и размером программы, то существенное значение для

сокращения времени решения задачи с помощью МП

приобретают минимизация программы и правильный вы-

бор типа команд. Так, составленная программа не яв-

138

ляется

самой короткой для решения поставленной зада-

чи,

в ней используется избыточное количество команд.

Действительно, пары команд с номерами 3 и

5,7

и 9,

и 13, 15 и 17, в которых сначала результат операции за-

писывается в ЗУД, а затем считывается из ЗУД на вход-

ную шину Р2, можно было бы заменить одной командой

передачи результата сразу на входную шину. Это сокра-

тило бы программу на четыре команды. Для составлен-

ной программы даже в идеализированном

случае,

когда

=1,

требуется время

=Л^

20т.

Если задачу (4.30) решить аппаратным способом, то,

как следует из рис. 4.33, сигнал проходит последова-

тельно через пять элементов, и общее запаздывание вы-

ходного сигнала относительно входного составит

Т=

= 5то, где

—

время срабатывания одного элемента.

Следовательно, если принять

TO=T,

то решение данной

задачи программным способом с помощью МП потребу-

ет в 4 раза больше времени, чем аппаратным путем.

Кроме того, для простой задачи и

массогабаритные

по-

казатели микропроцессорного способа ее решения могут

оказаться хуже, чем в аппаратном способе. Таким обра-

зом, в каждом конкретном случае необходимо проводить

обоснованный выбор между программным и аппаратным

способами решения поставленной задачи управления.

Универсальность МП обусловливает тот факт, что его

применение тем эффективнее, чем многозначнее в функ-

циональном отношении задача на него возлагается.

Именно универсальность оказывается большим достоин-

ством

МП

— на одной и той же аппаратуре можно реали-

зовать различные алгоритмы управления за счет изме-

нения вводимой в МП программы. Современные МП до-

пускают высокую частоту тактирования

(2—15

мГц),

что позволяет выполнять достаточно сложные програм-

мы за небольшой интервал времени.

Рассмотрим теперь более детальное структурное

представление

МП,

которое позволит получить расши-

ренное понятие о различных функциональных возможно-

стях МП. На рис. 4.35 изображена структурная схема

МП, в которой два основных функциональных блока

БО и БУ детализированы. В составе МП выделены три

группы регистров:

группа, обслуживающая процесс обработки данных,

в составе аккумулятора А, буферных регистров БР1,

БР2, БРД, регистра признаков

РП;

139